西南交通大學楊維清Nano Energy:通過酸性分子剪刀裁剪Ti3CNTx?MXene

引言

MXenes由于其良好的電導率，優異的機械性能和高的比表面積而越來越受到科學界的關注。目前，對MXenes進行修飾的方法越來越多，缺陷工程已廣泛應用于控制二維材料的電、磁、電化學和光電性能。然而，由于MXene的獨特結構，在MXene納米片上精準地引入缺陷或空位是一項具有挑戰性的工作。

成果介紹

近日西南交通大學楊維清教授團隊提出一種“分子剪刀”的方法對Ti₃CNT_x?MXenes進行精準地裁剪得到多缺陷的MXene，并且將其應用在微型超級電容器上，表現出可觀的電化學性能。另外，在此基礎上我們解釋了其機理，這些缺陷位點是質子化反應的理想平臺，使贗電容反應中的質子具有更強的擴散和傳輸能力。相關成果以“Tailoring Ti₃CNT_x?MXene?via?an acid molecular scissor”發表于Nano Energy期刊上，博士研究生陳寧俊為第一作者，西南交通大學張海濤教授和加州大學洛杉磯分校陳俊教授為本文的共同通訊作者。

圖文導讀

圖1. 酸性分子剪刀的作用機理。

(a)多活性位點的Ti₃CNT_xMXene的贗電容反應的過程。(b, c) 酸性分子剪刀作用下形成三種活性氮。(d) Pyridinic-N活性位點。(e) N-O活性位點。(f) Pyrrolic-N活性位點。(g) Ti₃AlCN的N1s XPS譜。(h) Ti₃CNT_x的N1s XPS譜表明裁剪后的Ti₃CNT_x?MXenes具有多種氮活性位點。

圖2. 裁剪后的Ti₃CNT_x的形貌。

?(a) 較少空位缺陷的Ti₃CNT_x-12h的HRTEM圖像。（b）多活性位點的T_i3CNT_x-24h的HRTEM圖像。(c) Ti₃CNT_x-48h HRTEM圖像，大量的孔洞導致的MXene晶格畸變的。比例尺均為1 nm。(d) 隨著裁剪程度的增加，缺陷密度增加。(e) 不同樣品的尺寸分布。(f) Ti₃CNT_x-12h和Ti₃CNT_x-24h的AFM圖像和厚度輪廓表明相較于未裁剪的Ti₃CNT_x?MXene, 高活性的MXene納米片厚度沒有變化。

圖3. ?Ti₃CNT_x膜在H₂SO₄?(1 M)電解質中的電化學性能。

(a)Ti₃CNT_x-24h電極的CV曲線表現出其具有更高的贗電容容量。(b) Ti₃CNT_x-12h電極的CV曲線。(c)由CV曲線得到的所有樣品的比電容。(d) Ti₃CNT_x-24h的GCD曲線。(e) Ti₃CNT_x-12h的GCD曲線。(f)由GCD曲線得到的比電容。(g) 所有Ti₃CNT_x電極的奈奎斯特圖。(h) Ti₃CNT_x-12h和Ti₃CNT_x-24h對應的本征面積電容、實測面積電容和時間常數。(i) 隨著裁剪時間的增加，氮含量和比電容的變化趨勢一致。

圖4. Ti₃CNT_x微型超級電容器的制備工藝示意圖及其電化學性能。

(a-c) 制備工藝流程圖。(d) 不同指寬的電容器的CV曲線。(e) 不同指寬電容器的奈奎斯特圖。(f) 不同指寬電容器的GCD曲線。(g) 用Ti₃CNT_x-12h和Ti₃CNT_x-24h組裝的超級電容器的Ragone圖。高活性的Ti₃CNT_x?MXene擁有更高的能量密度。

圖5. 集成化Ti₃CNT_x基超級電容器的電化學性能。

(a-c) 串聯器件的CV曲線, GCD曲線和奈奎斯特圖。(d-f) 并聯器件的CV曲線，GCD曲線和奈奎斯特圖。

小結

作者們通過酸性分子剪刀策略來精確地裁剪Ti₃CNT_x?MXenes，實現了具有設計的形態和適當的缺陷密度的Ti₃CNT_x?MXenes的制備。設計的缺陷位點是質子化反應的理想平臺，使贗電容反應中的質子具有更強的擴散和傳輸能力。此外，我們進一步封裝了高性能的Ti₃CNT_x基超級電容器，其體積電容達到250 F cm^-3,?在0.43 W cm^-3的功率密度下仍保持12.46 mWh cm^-3的能量密度。本文報道的酸分子剪刀提出了一種可控和建設性的方法來裁剪MXene，它可以在原子尺度上重塑MXene納米材料，因此該策略打開了一系列MXene在能源、傳感和醫療方面的應用的潛力。

論文鏈接

Tailoring Ti₃CNT_x?MXene via an Acid Molecular Scissor, Nano Energy, 2021，85:106007.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106007

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